一種基於反問題的殘餘應力檢測方法
2024-03-22 15:43:05
專利名稱：一種基於反問題的殘餘應力檢測方法
技術領域：
本發明屬於殘餘應力檢測領域，涉及一種基於反問題的計算機輔助的殘餘應力檢測方法。
背景技術：
各種機械工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會使工件內出現不同程度的殘餘應力。殘餘應力的存在，一方面會降低工件強度，使工件在製造時產生變形和開裂等工藝缺陷；另一方面又會在製造後的自然釋放過程中使工件的尺寸發生變化或者使其疲勞強度、應力腐蝕等力學性能降低。因此，殘餘應力的測量，對於確保工件的安全性和可靠性有著非常重要的意義。目前傳統殘餘應力的測量方法主要分為兩大類。(I)物理檢測法，主要有X射線法、超聲法和磁性法。這些方法均屬無損檢測法，對工件不會造成破壞。但是設備比較昂貴，操作不太方便，只能檢測工件的距表面很近處的殘餘應力。(II)機械法，有鑽孔法、取條法、切槽法、剝層法等。機械法測量殘餘應力需釋放應力，機械法理論完善，技術成熟，目前在現場測試中廣泛應用，其中尤以淺小孔法的破壞性最小，應用最為廣泛。而對於殘餘應力檢測方面的專利，也已經有很多人申請了多種多樣的殘餘應力檢測專利。比如J · P ·菲耶爾斯塔就申請了發明專利「用光學全息幹涉技術對物體中殘餘應力進行實時無損測定的方法與設備」(申請號00817976. X)，其主要技術特徵是首先記錄初始狀態下物體檢測區域的全息圖，然後通過將物體表面暴露在矩形高電流脈衝下，實現檢測區域的檢測點中的殘餘應力釋放，最後製作物體的嚴格相同區域中的幹涉圖，由幹涉圖中的條紋形狀及尺寸確定檢測區域的殘餘應力。又如哈爾濱工業大學的費維棟申請了發明專利「微小區域殘餘應力的無損檢測方法」(申請號=200510131351. 7)，其主要技術特徵是利用XRD設備對待測殘餘應力的樣品測量後獲得XRD面探圖譜，然後對所得圖譜進行處理，得到相應一組(hkl)衍射峰的衍射角 (2 θ )隨著德拜環張角(χ)變化的數據Ix1, 2 θ J，最後用線性函數擬合數據得到相應的直線，由擬合得到直線的斜率與殘餘應力之間的關係，由此可計算出所測量樣品該微小區域的殘餘應力。西安交通大學的張建勳申請了「一種焊接殘餘應力測量方法」(申請號 200910021661)的發明專利。其主要技術特徵是基於盲孔法測量殘餘應力方法，提出局部逐層去除盲孔法來測量構件內部殘餘應力；正反兩面局部去除被測構件上一定深度材料後再採用盲孔法測量殘餘應力；此發明專利能夠實現局部逐層地測量構件內部殘餘應力，操作方便，測量效率高。由於小孔法測量殘餘應力的原理是假定物體表面存在殘餘應力，此應力處於平面應力平衡狀態，若在該平面某點上鑽一個小孔，孔邊的徑向應力下降為零，孔區附近應力重新分布。若在鑽孔之前，在該點貼上三向應變計，鑽孔之後，應變計便感受到應力釋放產生的應變，通過測量應變計的應變，通過把殘餘應力校準係數代入殘餘應力計算公式中計算出殘餘應力。如何確定應變和殘餘應力之間的關係-殘餘應力校準係數，是鑽孔法法測量殘餘應力的關鍵因素之一。傳統的實驗方法確定殘餘應力校準係數是非常直接和實用，但它也是非常耗時，昂貴和範圍有限，校準必須為每個花環的幾何形狀，材料和樣品孔尺寸重複。而且對於不同情況下同種材料所選用的殘餘應力校準係數都是相同，因此其測試數據的準確性也值得商榷。目前的檢測方法沒有考慮到去除被測構件上一定深度材料對被檢測工件殘餘應力的影響，也沒有考慮到不同深度的殘餘應力校準係數不同的影響。並且對於一種多層鑽孔，或者對於非平面的球元結構或柱元結構的被測量工件或一種新發現的材料由於缺少相應的殘餘應力校準係數而難以用小孔法實現殘餘應力的測量，或者是所測量出來的殘餘應力的數據不十分準確。然而如果通過採用數值模擬的方式計算出該種情況的殘餘應力校準係數，然後通過小孔法就能準確測量出該情況下工件的殘餘應力。
發明內容
為了克服背景技術中的不足，本發明專利提供了一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，是採用一種基於反問題的逆向思維，利用現代數值模擬方法計算殘餘應力校準係數， 通過小孔法測量其應變值，然後用獲得的殘餘應力校準係數和殘餘應力檢測計算模型最終獲得材料或結構的實際殘餘應力值。本發明的技術方案如下一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，採用一種基於反問題的逆向思維，利用現代數值模擬方法計算出殘餘應力校準係數，通過小孔應力釋放法測量其應變值，然後用計算獲得的殘餘應力校準係數和殘餘應力檢測計算模型最終獲得材料或結構的殘餘應力。利用數值模擬方法計算出在第i次鑽孔時第j層(i > j)時的殘餘應力校準係數 Ajj和然後採用小孔應力釋放法檢測出的第i次鑽孔時第j層應變，根據下列公式
權利要求
1.一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於採用一種基於反問題的逆向思維，利用現代數值模擬方法計算出殘餘應力校準係數，通過小孔應力釋放法測量其應變值， 然後用計算獲得的殘餘應力校準係數和殘餘應力檢測計算模型最終獲得材料或結構的殘餘應力。
2.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於利用數值模擬方法計算出在第i次鑽孔時第j層j)時的殘餘應力校準係數Α"和然後採用小孔應力釋放法檢測出的第i次鑽孔時第j層應變，根據下列公式
3.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於利用有限元或有限差分的數值模擬方法計算出同一位置隨鑽孔深度變化的殘餘應力校準係數，藉助小孔應力釋放法測量其應變值，實現同一位置一次或多次鑽孔方式的殘餘應力檢測。
4.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於利用有限元或有限差分的數值模擬方法計算出平面元或非平面元結構工件的殘餘應力校準係數， 藉助小孔應力釋放法測量其應變值，實現平面元或非平面元結構的殘餘應力檢測。
5.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於對於新型材料，利用有限元或有限差分的數值模擬方法計算出該新型材料的殘餘應力校準係數， 藉助小孔應力釋放法測量其應變值，實現新型材料的殘餘應力檢測。
6.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於利用有限元或有限差分的數值模擬方法是指藉助商業軟體或者自主編制電腦程式，自動進行不同類型的材料或不同種類的結構形式的殘餘應力校準係數的計算，實現其殘餘應力的檢測。
7.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於利用有限元或有限差分的數值模擬方法的計算機流程由用戶界面、中間部分和計算核心三個部分組成，用戶界面包括用戶參數的輸入系統和檢測結果的輸出系統，中間部分包括參數的校驗、測量的應變數據導入、模型的建立、計算程序的自動生成、殘餘應力計算、後處理系統， 能夠根據用戶需要自動創建數值模擬程序和計算殘餘應力，計算核心部分包括數值模擬分析系統和殘餘應力校準係數的確定系統。
8.根據權利要求1所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於基於反問題的逆向思維過程是建立與真實檢測條件一致的數學物理模型，藉助計算機仿真技術， 模擬小孔應力釋放法的測量過程，在無殘餘應力的小孔側壁分別施加一個確定值的壓應力和一個確定值的切應力，綜合考慮工件結構和材料性質的影響因素，通過數值模擬方法計算出相應的應變值，然後反求出殘餘應力的校準係數，最後結合殘餘應變的實際測量值，就能夠獲得相同的材料和相同結構的殘餘應力檢測值。
9.根據權利要求1和8所述的一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，其特徵在於計算與確定殘餘應力校準係數時，小孔側壁上施加單位數值的壓應力和切應力，壓應力與小孔側壁法線方向一致，切應力沿小孔側壁切線方向施加。
全文摘要
本發明公開了一種基於反問題的殘餘應力檢測方法，包括採用一種基於反問題的逆向思維，利用現代數值模擬方法計算殘餘應力校準係數，通過小孔法測量其應變值，然後用獲得的殘餘應力校準係數和殘餘應力檢測計算模型最終獲得材料或結構的實際殘餘應力值。
文檔編號G01N19/00GK102162755SQ20101059210
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者王穎, 羅鍵 申請人:羅鍵